Inventaire des techniques de lithographie développées pour la micro et la nano électronique

Il existe un nombre important de techniques de lithographie. Ce chapitre dresse un inventaire des techniques de lithographie, y compris la photolithographie. L’objectif est d’identifier la technique la plus adaptée au projet de la thèse. Les critères recherchés sont :

43 Une résolution d’alignement la plus importante possible (< 400 nm). En effet, l’écart

d’alignement d’un damier sur un autre génère de la diffraction (cf figure 28).

La capacité de l’équipement à structurer des résines épaisses (de l’ordre de 10 à 20 µm). La capacité à réaliser des grandes surfaces (échantillon de la taille d’un verre).

figure 28 : illustration de l'écart de positionnement à l'alignement

1.5.2.1. La photolithographie

La photolithographie est représentée par plusieurs techniques telles que :

la photolithographie au contact (« contact printing ») où le masque et la résine du wafer sont en contact à l’insolation),

l’insolation en proximité (« proximity printing ») où le masque est séparé de la résine de quelques microns (>10 µm) pour éviter les salissures dues à la répétition des contacts

la photolithographie par projection a supplanté les autres techniques car elle autorise des résolutions toujours plus fines. Le principe consiste à projeter une image réduite du masque sur le wafer. Les résolutions atteintes sont liées aux progrès réalisés dans divers domaines, tels que les sources de lumière (passage de lampes à vapeurs de mercure vers des lasers excimers), les optiques (travaux sur les matériaux des lentilles et la précision d’usinage), la résolution mécanique (déplacement des tables, planéité des supports), le savoir-faire (CAO des masques, utilisation de la diffraction avec le « off axis illumination », les astuces appelées « lithographic tricks » dans la littérature).

Ce chapitre présente rapidement les outils actuels de la photolithographie, leur niveau de performance et leur adéquation possible par rapport à la thèse.

Les trois grands types d’équipements sont, les photolitographieurs à l’échelle 1 (1X) pour le « contact printing » et le « proximity printing », les machines dites de step and repeat (steppers, ou photo-répéteurs) et les machines de step and scan (scanners) pour la technique de projection.

Les photloithographieurs à l’échelle 1 sont essentiellement utilisés dans les laboratoires de R&D en raison de leur coût raisonnable (de l’ordre de 300 000€ pour les plus couteux). La résolution de l’insolation est de l’ordre du micron, c’est aussi l’ordre de grandeur de la précision d’alignement de deux niveaux de masque. Ces machines permettent divers types de fonctionnement comme l’impression au contact (contact printing), en proximité (proximity printing c’est à dire masque posé sur le wafer) ou en contact dur (hard contact, masque en pression contrôlée sur le wafer). La profondeur de champ est un des points forts de ces machines. L’image du masque est projetée à l’infini, donc la profondeur de champ est infinie (cf figure 29). Pour les insolations en proximité, les effets de la diffraction peuvent limiter la résolution, en particulier lors de travaux sur des résines épaisses. Plusieurs de ces machines sont disponibles au LAAS.

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figure 29 : illustration de la phtolithographie au contact (à gauche) puis en proximité (à droite) [26]

Les steppers (contraction de step and repeat), sont des machines beaucoup plus performantes avec une résolution de qui atteint 250 nm, tandis que la résolution d’alignement d’un niveau de masque sur un autre est de l’ordre de 50 nm. Le principe est de projeter l’image du masque sur la résine du wafer (réduite par un facteur de 4 ou 5). Cette image est une vignette (un « shoot ») de quelques millimètres de côté répétée plusieurs fois sur le wafer (cf figure 29). Les steppers sont coûteux (1 millions d’euros pour la machine du LAAS acquise d’occasion, de 15 ans d’âge et remise à neuve). L’inconvénient d’un tel système est la profondeur de champ. En effet, le système optique de projection réduit l’image pour augmenter la résolution. L’image projetée est focalisée et possède donc une profondeur de champ réduite. L’équation suivante donne la valeur de la profondeur de champ (Depht Of Field, DOF) pour les steppers [27]:

Équation 1 : profondeur de champ de l’optique d’un stepper

Avec λ longueur d’onde d’insolation, k2 paramètre empirique lié à l’utilisation du stepper et NA

l’ouverture numérique. La figure 30 donne les valeurs de la profondeur de champ en fonction de l’ouverture numérique du système de projection pour un stepper, pour une valeur k2 arbitrairement

fixée à 1 et une longueur d’onde de 365 nm. A une ouverture numérique (ON) de 0,45 (valeur minimum du stepper du LAAS), la profondeur de champ est de 2µm environ alors que les épaisseurs à structurer, dans le cadre de cette thèse, sont de l’ordre de 20µm. Les steppers visent de très hautes résolutions et de ce fait proposent des profondeurs de champ extrêmement réduites avec des gammes d’ouverture numériques de 0,35 à plus de 1 (systèmes à immersion, avec la lentille plongée dans un liquide qui est au contact de la résine). Ce ne sont pas, dans leur majorité, des outils prévus pour travailler sur des épaisseurs de résine de plusieurs microns. Il existe des machines, dédiées à la production d’écrans plats qui affichent des ON de 0,1, elles sont rares.

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figure 30 : valeur de la profondeur de champ en fonction de l'ouverture numérique [53]

Les scanners (contraction de step and scan) sont des machines plus performantes tant en résolution qu’en quantité de wafer insolé par heure. L’illumination est réalisée au travers d’une fente. Le réticule (masque) se déplace en sens inverse du wafer. L’image du masque est littéralement scannée sur le wafer (cf figure 31), les vitesses d’insolation sont très grandes. L’illumination par une fente permet d’éviter les soucis d’aberrations chromatiques puisque seule une partie de la lentille est utilisée. Ces systèmes associés à des illuminations par laser excimer (exemple ArF à λ=193 nm) et l’immersion de la lentille dans un liquide, permettent des résolutions de 45 nm (Nikkon NSR-S610C avec une ouverture numérique de 1,3) ou encore 38 nm (fabricant ASML, référence TWINSCAN XT : 1950i pour une NA de 1,35). L’ordre de prix pour un équipement de ce type neuf (qui est réservé à la production) est environ 40 millions d’euros.

figure 31 : illustration du fonctionnement du stepper et du scanner, (source site internet Nikkon)

En conclusion, les aligneurs en proximité sont intéressants pour la profondeur de champ qu’ils offrent mais limités par leurs capacités d’alignement. Les steppers et scanners offrent la résolution d’alignement nécessaire mais sont limités par leur profondeur de champ.

46 Cette thèse a pour but l’écriture sur une surface large (quelques centimètres carrés), de motifs de grande dimension (plusieurs centaines de microns) sur une épaisseur importante (>20 µm). La profondeur de champ de l’écriture se doit d’être la plus importante possible. Plusieurs technologies peuvent répondre à la problématique de la profondeur de champ tels que les faisceaux d’électrons ou d’ions, les rayons X ou encore l’écriture directe laser. Cette dernière est très répandue dans l’industrie et les laboratoires de recherches, elle est présentée au chapitre suivant.

1.5.2.2. Les techniques d’écriture directe (sans masque) au laser

Le nombre de techniques existantes est important, la plus répandue est l’écriture directe au laser qui est utilisée pour la production des masques de photolithographie en 2D. D’autres techniques, moins répandues sont également décrites dans ce chapitre : l’ablation laser, l’écriture directe MAPLE, le frittage laser, la déposition chimique en phase vapeur au laser, la stéréolithographie et la lithographie 2 photons.

1.5.2.2.1. La technique d’écriture directe au laser :

Cette technique est fréquemment utilisée pour la production de masque de photolithographie. Il s’agit de photo-sensibiliser une résine positive avec une précision importante. Le laser est fixe, le masque à structurer (avec un dépôt de résine côté chrome) est placé sur un support qui se déplace en suivant un dessin CAO (cf figure 32).

figure 32 : principe de l'écriture directe au laser machine Heidelberg

L’intérêt de cette technique est sa résolution importante de l’ordre de 400 nm pour les machines les plus performantes mais aussi sa disponibilité industrielle (plusieurs fabricant proposent

47 des machines comme Heidelberg ou Kloe). A titre d’exemple, l’outil Heidelberg du LAAS permet d’obtenir une résolution de 700 nm (diamètre du faisceau focalisé).

L’épaisseur des structures, de forme carrée, à réaliser dans cette thèse est de l’ordre de 20 µm par niveau. Or les outils de lithographie laser n’ont pas une telle profondeur de champ. Comme, c’est la résolution maximum pour une épaisseur faible qui est recherchée, les outils actuels ont une profondeur de champ réduite (le faisceau est focalisé). Les épaisseurs maximum de résine insolées sont de l’ordre de 3 µm. Pour travailler sur une résine de 20 µm, il faut que le laser passe au même endroit plusieurs fois, en changeant la cote en Z du point de focalisation. La résolution risque de s’en trouver fortement dégradée et le temps de réalisation multiplié par le nombre de passage.

Les outils développés par la société Kloe, au contraire des « masqueurs » lasers classiques disposent d’une forte profondeur de champ. Cette société travaille à augmenter fortement les vitesses d’exécution de grandes plaques, dans le cadre du projet MOSAHYC. Ce projet mené par la société Kloé en partenariat avec Essilor, le CEA-LITEN, l’ISEN de Toulon et le GES (groupement d’études des semi-conducteurs, Montpellier), vise à améliorer les performances des machines de lithographie laser. Le projet consiste notamment à implanter de nouveaux moteurs (Kloé) pour les platines de déplacement, à affiner la programmation de la machine pour intégrer des stratégies d’écritures spécifiques liées à l’augmentation de la vitesse (Kloé), à développer une nouvelle carte électronique de commande des moteurs (ISEN et Kloe), à tester et valider ces modification (CEA), à fournir un matériau adapté (GES + Essilor). Cet outil pourrait constituer une bonne alternative au stepper pour le développement du double damier mais son développement est réalisé dans le même intervalle de temps que la thèse, il n’est donc pas disponible.

1.5.2.2.2. La technique dite d’ablation laser

Les techniques de gravure directe laser du matériau se résument par la destruction du matériau exposé à la radiation laser. L’interaction entre les photons du laser et le solide est complexe et dépend, d’une part des caractéristiques du laser (longueur d’onde, puissance et durée du pulse, taux de répétition), d’autre part du matériau (coefficient d’absorption). Deux grands mécanismes, liés à la gamme de longueur d’onde du laser, peuvent être distingués :

Le mécanisme photo-thermique est associé aux lasers infrarouges. Le matériau exposé chauffe jusqu’à être évaporé. La chaleur se propage sur les bords de la zone ciblée et donc diminue la résolution (les bords de découpe sont bombés). Cette technique produit également de nombreux débris. Les travaux de découpe de métaux sont une de ses grandes applications.

La technique d’ablation est généralement associée à des radiations lasers pulsées dans l’UV ou l’UV profond. Dans ce cas, les photons du laser excitent les électrons du matériau ce qui induit la rupture des liaisons interatomiques. Les températures atteintes sont relativement faibles d’où une production de débris minimes et des bords relativement francs. Deux inconvénients sont à noter, le coût élevé des lasers UV et la lenteur du procédé. Une résolution de l’ordre de 400 nm est reportée [28] mais l’épaisseur n’est pas précisée. Divers matériaux ont été gravés tel que le silicium et le pyrex [28], le saphir [29], des polymères comme le polycaprolactone [30] (cf illustration du montage figure

48 33), le polycarbonate et le polyméthylméthacrylate (PMMA) [31]. Pour améliorer les rendements de la gravure des polymères, la tendance de l’ablation laser est l’utilisation des lasers du domaine visible, en particuliers à 532 nm [32]. Ceux-ci sont nettement moins coûteux et proposent une puissance supérieure. Les vitesses de structuration atteignent quelques dizaines de mm/s (83 mm/s dans un process de découpe à 532 nm [32] contre quelques µm/s dans les bas UV à quelques mm/s à 355 nm [30]).

Cette technique ne semble pas adaptée car, soit elle manque de résolution (photothermique), soit elle est relativement lente (ablation). La surface de résine à enlever dans la réalisation d’un damier est de 50% de la surface totale, il faut donc un procédé rapide.

figure 33 : illustration d'un système d'ablation laser [30]

1.5.2.2.3. L’écriture MAPLE (Matrix Assisted Pulse Laser Evaporation)

Cette technique (schématisée sur la figure 34) consiste à transférer un matériau déposé sur un substrat provisoire vers le substrat définitif avec la forme désirée. Le laser chauffe une couche interface (un ruban généralement) entre le matériau à structurer et le substrat provisoire. Cette couche interface s’évapore, libérant le matériau qui se dépose sur son substrat final. Le laser suit la trajectoire informatisée du dessin du masque (appelée aussi matrice). Un certain nombre de matériaux ont été déposés comme des métaux, des céramiques, des polymères ou des matières biologiques [34]. La précision atteinte est de 10 µm sur une épaisseur de 10 nm, ce qui est insuffisant pour la réalisation du double damier. Des vitesses d’exécution sont importantes avec des dépôts de l’ordre de 200 mm/s [33].

Ainsi cette technique permet des débits de fabrication important mais ne permet pas d’obtenir la précision requise ou le rapport de forme souhaité, elle ne correspond pas au projet.

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figure 34 : illustration du Maple DW ou Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation direct write [34]

1.5.2.2.4. La stéréo‐lithographie

La stéréo-lithographie est un procédé industriel d’usinage de prototype plastique. Cette technique permet d’obtenir rapidement une pièce tridimensionnelle à partir d’un modèle numérique sans usinage mécanique. Le principe consiste à polymériser un polymère liquide couche par couche ou point par point. Le laser a une position fixe, le substrat sur lequel est structurée la pièce est déplacée dans le bain polymère. La micro stéréo-lithographie est l’extension de la stéréo-lithographie aux dimensions micrométriques.

La stéréo-lithographie se distingue en deux familles (illustrée sur la figure 35), l’une dite à balayage vectoriel (polymérisation point par point), l’autre dite à masque dynamique (polymérisation par couche).

Le procédé vectoriel présente l’avantage d’une bonne résolution (jusqu’à 1µm [28]) qui dépend de la dimension du spot laser et du matériau polymère photosensible. Le faisceau lumineux est fortement focalisé, l’énergie est concentrée au point de focalisation et le matériau ne polymérise que dans cette zone. Ce procédé est précis mais il s’avère relativement lent et n’est donc réservé qu’au prototypage.

L’autre procédé, l’illumination intégrale d’une surface de résine par le motif désiré, est développé depuis la fin des années 1990, grâce à l’amélioration des techniques de masquage dynamique. Le procédé est rapide puisqu’il permet de polymériser une surface importante. En effet, un dessin de masque permet de réaliser une épaisseur, ensuite un second dessin de masque permet de réaliser une seconde épaisseur et ainsi de suite. Les mouvements du support sont limités à l’élévation du substrat (la plaque est plongée puis levée au fur et à mesure que les couches sont polymérisées). Puisque le masque est dynamique (pilotage grâce à un outil de CFAO, conception et fabrication assistée par un ordinateur), les coûts sont réduits et l’utilisation aisée. Ce procédé, s’il est plus rapide qu’un procédé vectoriel, s’avère moins résolu. En effet, la résolution spatiale verticale est moins facile à contrôler, à cause de l’absorption du matériau, qu’avec le procédé vectoriel où la focalisation du faisceau permet un meilleur contrôle (dans toutes les directions).

50 Des masques dynamiques à cristaux liquides existent mais ils absorbent dans les UV, ce qui est contraignant car la plupart des résines industrielles ont été développées pour les UV. Une technologie à base de micro-miroirs (Digital Micro Miror Device, DMD™) permet de s’affranchir de ce problème [35]. Les miroirs sont éclairés par la source, leurs orientations permettent de recréer une image. Une résolution de 10 µm est reportée [35].

figure 35 : illustration des deux familles de microstéréolithographie [35]

La résolution de la micro-stéréolithographie est aussi liée à la méthode de couchage de la résine. La méthode à surface contrôlé se résume à emprisonner le polymère entre le substrat et une plaque de verre où le laser sensibilise le polymère. Cette technique est limitée par la possible adhésion du matériau polymérisé avec la vitre de pressage. L’autre technique est dite à surface libre. Lorsqu’un niveau est polymérisé, le support plonge dans la cuve afin d’immerger totalement la pièce à travailler, puis se relève. Le polymère s’écoule naturellement ne laissant en surface qu’une couche mince à polymériser. Les viscosités importantes nécessitent des dispositifs spécifiques d’égalisation en surface.

La résolution du procédé reste trop peu importante,1 µm au mieux dans le cas du procédé vectoriel qui est aussi le plus lent.

1.5.2.2.5. La polymérisation 2 photons (TPP two photons

polymérisation)

L’absorption de deux photons dite TPA (Two-photon absorption), consiste en l’absorption de 2 photons ce qui conduit à une polymérisation (on parle de la polymérisation 2 photons ou TPP ). Ce phénomène a été prédit en 1931 par Maria Goeppert-Mayer [36]. Grâce à l’invention du laser, il a été confirmé expérimentalement par Kaiser and Garret en 1961 et observé par Isaac Abella en 1962 [37]. Le principe consiste à focaliser un faisceau laser pour concentrer les photons en un point. Les atomes du matériau exposé passent dans un état électronique excité en absorbant simultanément 2 photons.

51 Précisément, un premier photon est absorbé, ce qui conduit une population d’électrons dans un état excité intermédiaire d’une durée de vie de 10-4 à 10-9s. Durant ce laps de temps, une petite partie de ces électrons absorbe un second photon pour aller vers l’état excité final appelé TPA. Ce phénomène, d’une durée de vie de quelques femto-secondes, n’est pas possible avec un seul photon. La TPP est une réaction de polymérisation extrêmement localisée, suite à l’excitation d’un photo-sensibilisateur TPA par un laser felmto-secondes. Les résolutions atteintes sont inférieures à 100 nm, certains reportent même une résolution de 30 nm [38].

Ce procédé est séduisant. Il permet de réaliser en 3D, une structure en déplaçant le point de focalisation du laser dans l’épaisseur de la résine. Les très hautes résolutions atteintes sont impressionnantes, elles permettraient de réaliser un damier en résine au plus proche du modèle théorique. Par contre, comme c’est le cas pour la structuration 3D en micro-stéréolithographie, les durées d’exécution peuvent être longues en fonction des motifs. Il est adapté au procédé de très haute résolution sur des motifs inférieurs au micromètre or les motifs à réaliser dans la thèse sont de grande dimensions.

Figure 36 : banc type pour la polymérisation 2 photons [39]

1.5.2.2.6. Le frittage laser

Le frittage laser est communément appelé le SLS pour Selective Laser Sintering. Le matériau est déposé en couche sous forme de poudre sur un support. Un laser de forte puissance expose le matériau dont les particules fusionnent entre elles, formant un réseau solide. Le matériau est polymérisé couche par couche jusqu’à obtention de l'objet en 3D Les matériaux ainsi structurés peuvent être des métaux, des plastiques, des céramiques ou du verre. La résolution est limitée à 100 µm, ce qui est trop faible pour l’application visée ici.

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1.5.2.2.7. la LCVD, Laser Chemical Vapor Deposition

La LCVD repose sur une transition de phase de l’état gazeux à l’état solide sous l’action du laser. Le matériau est littéralement déposé sur le substrat. La chaleur du laser permet la réticulation du polymère (cf figure 37). Les résolutions atteignent 10 µm, les vitesses de dépôt sont supérieures à 100 µm.s-1. Dans le cadre de l’empilement de damier, cette technique est attirante, car on peut structurer en 3D sans avoir de révélation à effectuer. On peut imaginer structurer sur une surface non adhérente (ce qui est impossible avec les matériaux liquides). En effet, en LCVD, il n’y a pas de dépôt préalable, le solide est synthétisé à partir de la phase gazeuse. Par contre, l’objectif de la thèse est de structurer sur une surface en plastique souple qui ne supporte pas les températures élevées comme c’est le cas en LCVD.

figure 37 : principe de la LCVD [40]

1.5.2.2.8. Lithographie laser interférentielle ou holographique

La génération d’interférence à partir d’un laser permet de créer des interfranges submillimétriques. Dans le cas présenté à la figure 38, dans un montage type miroir de Lloyds, l’interfrange est déduit de l’équation suivante :